第1章
走近科学

科学是什么？是牛顿的苹果，是孟德尔的豌豆，还是富兰克林的风筝？元科学又是什么？是科学的本源，是科学的内核，还是科学的表征？

对世人来说，科学是复杂的密钥，是幽深的丛林，而元科学更是深不可探的秘境。实际上，科学与元科学离我们并不遥远，与我们的日常生活息息相关。串联世界的互联网、揽月摘星的航天工程、“下五洋捉鳖”的海洋工程，这些都是科学的成果；而我们所讨论的科学的起源、本质、特征等，都是元科学的冰山一角。

元宇宙是通过虚拟增强的物理现实，呈现收敛性和物理持久性特征，它是基于未来互联网的，具有连接感知和共享特征的3D（三维）虚拟空间。作为一个数字化虚拟空间，元宇宙消除了物理形态的障碍。只有强大的技术支持，才可以确保形成一个完整的元宇宙世界，其不仅仅是一个存在于小说和电影中的概念。单一领域的技术无法构建出完整的元宇宙形态，诸多先进技术的结合才是构建元宇宙的基石。因此，元宇宙以技术为支撑，整合了数字经济、社会关系、感官体验、安全保障等多种元素，用技术将现实社会映射进了数字空间。

根据现阶段对元宇宙概念的理解，我们认为元宇宙思维的核心内涵是强调宇宙中的万事万物是一种互联网式相互关联的整体系统，各个元素不断演化裂变、相互影响、虚实互动，最终是深度耦合、和谐共生的。这一思维范式也是现代科学技术高度发展的产物。

用元宇宙的思维范式去回看科学发展的历程，或许能够为探索科学发展的未来提供新的方向。纵观历史，你会发现历史书籍和传统文学作品等都是以文字的形式呈现，一说到历史总是枯燥无味；即便是用尽华丽辞藻描述的神话、童话、科幻小说，其中的想象力也是有限的。而元宇宙叙事被赋予了新的形态，其交替运用文字语言、图文影像、数字语言，打造“视、听、触、识”融合的故事情境。你可以了解别人的故事，同时也可以参与到故事之中。这种新的呈现方式会给历史带来全新的生命力。未来可能会如同电影《博物馆奇妙夜》中的情节一般，不同时期的历史人物乃至生物可以出现在我们面前，各自诉说那遥远的过去，历史不再是死板的文字，而是鲜活有趣、可以亲身体验的独特经历。近几年越来越多的文物互动展览或文创产品，也展现出大众对历史文物与现代科技相结合的兴趣，它们不但为成年人构建了一个充满梦幻趣味的世界，更为孩童学习研究历史提供了别样的方式。这就是让我们决定撰写本书的动力源泉。

科学发展到今天，许多疑问还是没有答案。比如，究竟什么是科学？科学、哲学和宗教的区别在哪里？科学与技术的界限在哪里？我们人类为什么要发展科学和技术？科学和技术是否总能造福人类？这一切都没有标准答案，只能等人类去一步一步探索。因此，我们在以元宇宙视角重新审视科学与技术发展历史之前，把我们对这些基本概念和问题的看法阐述一下，以便读者理解我们的逻辑思路。

1.神奇与探寻

在现代社会中，科学已经融入人类生活的方方面面，我们如今享受的便利以及对世界的认知大都得益于科学的发展。而今天人们所熟知的科学，其实在人类文明进程中产生得比较晚。

科技的进步使得过去的种种幻想变成了现实。《西游记》中孙悟空一个筋斗十万八千里被现代的飞机和航天器实现了，海底两万里的梦想已经被各种深海潜水器实现了。

在《列子》中，早已经有关于机器人的描述，据说在西周的第五位君主周穆王西部游历途中，一个名叫偃师的人毛遂自荐，说有绝活儿给大王看。偃师让周穆王看了一个能唱歌跳舞的“人”，它行走俯仰和真人一样。你想叫它做什么，它就做什么。周穆王看得兴起，便叫心爱的盛姬一起观看。表演快结束的时候，机器人眨着眼睛，向盛姬“放电”。周穆王气坏了，立刻就要杀偃师。偃师随即剖开机器人的肚子，周穆王一看，发现其确实是个假人，赞叹人的技巧竟然可以媲美创造万物的天帝。 今天的机器人已经完全超越了他的想象。

在文明发展的早期，人们相信我们赖以生存的地球就是宇宙的中心，伴随着文明诞生的宗教则告诉人们，人类的文明是神的伟大成果。随着科学的不断发展，人们逐渐认识到人类的渺小。科学帮助我们更加理性客观地认知人类生存的物理世界。

如今，脑机接口、无人驾驶、机器人餐厅、深海养殖等因科学的进步而衍生出的新事物让人们的生活更加便利。

2.问题与挑战

随着大数据时代的到来和人工智能技术的飞速发展，科幻电影和赛博朋克的概念已经非常流行，但是抛去其中的想象，人类真实的未来到底是什么样子的？人类未来又面临着什么样的挑战？未来真的会如一些电影所描绘的那般美好吗？

人类自以为是地球的主宰者，甚至想征服大自然，对大自然的破坏触目惊心。以滇池地区为例，这里自庄蹻入滇，汉代实现崛起，良田千亩滋养黎庶，五百里滇池烟波浩渺。但是从20世纪60年代左右开始，这里生态环境遭到严重破坏，水质急剧恶化，污染严重。人们为了过更好的生活，耗费了大量的人力、物力、自然资源，比如围湖造田，引发了滇池之殇。直到近几年，这里情况才渐渐好转，但已然没有当年的盛景。人类真的可以用科技的力量来消除环境恶化所带来的麻烦吗？

图1.1基于基础科学问题和前沿技术挑战两个大方向，列举出了我们将面对的关于赛博格 、AI（人工智能）健康、智能软件、通信升级、算力创新、新材料、新制造和新能源等方面的问题和挑战。

科学和技术总是能造福人类吗？从社会现状来看，情况似乎没有我们预想的那么好。让我们看一下生态研究专家张文波先生的观察。他强调，理论上而言，随着科学技术的发展、工作效率的提高，人们应有更多的时间来享受生活、充实自己的精神世界。而事实恰恰相反，人们的工作日趋繁忙，科技带来的不是解放劳动力，甚至是更大的剥削，如同电脑从开始的庞然大物发展成可随身携带的笔记本，越来越多的人面临着白天在公司上班，晚上或休息日还要居家加班的情况。

图1.2列出了科学与技术可能引发的结果。科学带动文明发展的反面，是利用科学开发军事武器。科学让现代战争变得更加可怕，世界多地战火不断，中东战争、乌克兰危机及伊拉克战争中都使用了大量现代化武器。人们还面临核战争的威胁，核爆炸引发的核污染属于放射性污染，对空气、土壤和水源可造成长达20年甚至更久的影响。在强国持有这些危险的现代化武器的大环境下，和平遥不可期。

此外，科学发展带来的工业文明造成了人类与自然的冲突。在科学形成的早期，人们探索新的科学方法及技术是为了得到更好的服务，但随着时代的变化，科学似乎是为了满足资本增值的需求而发展的。对地球能源的过度开发、化工产品导致的环境污染（尤其是塑料污染），使得美丽的蓝色星球疮痍满目，人类赖以生存的生态环境岌岌可危。

科学的诸多成果使人们的生活更加便利。但是，便利的生活可能会使人们滋生惰性，人们被困在互联网算法编织的信息茧房中，高频的碎片化消息使思维逐渐倦怠，运动量的减少导致了各种疾病高发。

机械化生产确实解放了一部分劳动力，但机械化的快速发展也助长了人类的贪欲，垄断资本席卷全球，马太效应持续加剧。也有越来越多的人担心，机器人的出现会使许多职业消失，最终使自己成为被机器人替代的那一部分。对一部分中年人与大多数老年人而言，随着科技的进步，他们仿佛被时代抛弃了。他们不懂得新的谋生方式，也不知道如何使用智能产品，生活压力愈发沉重。

时至今日，人类必须反思，反思自己的科学之路是否与可持续发展相符合，否则人类迎来的不是幸福，而是无尽的苦难。

科学是一把双刃剑。火药可以让人感受到烟花的浪漫，也可以带来烽火连三月的悲怆，福与祸皆在人类的一念之间。如何科学地利用科学是人类的永恒课题，如不恰当利用科学，人类的贪婪终将吞噬人类自身，由科学铸就的文明堡垒也终将毁于科学之烈焰。

3.思索与展望

科学往往是在人类好奇心的驱使下诞生的。星星离我们究竟有多远？星星上是否有类似地球上的生物存在？大海究竟有多深？海洋里究竟有什么？科学的目的就是刨根问底，也就是发现各种规律。例如，人们用望远镜观察所发现的自然规律为经典力学和相对论奠定了基础，人们通过显微镜观测建立了量子力学。但是，科学早期的目的并不是应用这些规律，有些科学家在研究科学时只关心这些规律本身，并不关心它们是否有用、是否危险。随着科学的发展，人们围绕消除人类对宇宙自然的恐惧、提高人类的幸福指数的科学研究才逐渐开始。时至今日，科学的目的可以归纳为两个主要方面：满足人类固有的好奇心，提高人类的幸福指数。

轨迹的认知

在近代以前，完备的科学系统并没有形成。我们能找到“科学”发端的蛛丝马迹，但那时尚未形成系统的科学体系及科学研究的方法。 直到牛顿力学建立，以及机械自然观和实验数学方法论形成，近代科学体系才逐渐建立形成。

16世纪的科学革命主要是天文学的革命，日心说推翻了居于宗教统治地位的地心说，实现了天文学的变革。17世纪的科学革命主要是物理学和数学的革命，牛顿在1687年发表了《自然哲学的数学原理》，论述了其运动三定律和万有引力定律。这是人类在科学史上首次提出一个完整统一的体系并对客观物理世界中的自然规律进行了描述。而此时的许多其他学科依旧处于搜集资料及对已有认知进行初步整理的阶段。18世纪的科技大发展则是一场技术革命和化学革命，拉瓦锡推翻了统治化学界100多年的“燃素说”。

16—18世纪各门学科的发展和革命使得自然哲学逐渐分化，尤其是自然科学方面逐渐形成了各自独立且系统的学科体系。17世纪以来，天文学、物理学、化学、生物学等自然科学首先从自然哲学中分化出来，形成了属于自己学科的研究范式及研究方向。到了19世纪前后，随着社会生产力水平的不断提高，社会问题日益复杂，诸如社会学、经济学、法学、政治学等社会科学纷纷从哲学中分化出来，并确立了各自独立的学科地位。之后，随着科学的蓬勃发展，各学科的划分越来越细致。

20世纪，为了解决科学发展的瓶颈，学科之间开始融合。美国哥伦比亚大学心理学家伍德沃思于1926年首创了“交叉学科”（interdisciplinary）这个术语，他认为交叉学科是超越一个已知学科的边界、涉及两个或两个以上学科的研究领域。近几十年来，学科分化和学科融合这两种趋势一直并存。最近25年，许多诺贝尔奖获得者都得益于交叉性合作研究。

科学的发展是一个持续的动态过程。科学发展到今天，我们急需一个新的思维范式去审视科学与人类的关系以及未来科学的发展方向。

回顾发展

16—19世纪是西方科学发展的高光时刻。在科学发展的进程中，科学理论成果间存在千丝万缕的联系，图1.3展现了西方科学的发展进程。我们可以在图1.3中发现一些玄机，例如哈密顿力学推进了热力学第一定律。科学所包含的各种学科及理论并不是独立发展的，各种理论相互影响，继而又发展为新的理论。对于理论间关系的梳理将在第三篇详细介绍。

科学革命是推动科学发展过程中极为重要的一环。科学家只有勇于打破常规科学，勇于发现常规科学中的错误，才能向传统科学注入新的思想，才能不断修正我们对自然的认知。梳理科学革命的过程能够帮助我们探究科学问题的本质。

图1.4展示了第二次工业革命的简要发展过程。对于重要科学革命的介绍，详见第四篇。

在近代科学形成之前，最先发展且最接近现代科学的学科是天文学，其他领域并未形成系统的研究体系。随着科学的发展，科学家们对各个领域的研究逐步深入，不同的学科开始慢慢出现。而自科学发展史初现峥嵘以来，各学科领域均有不同程度的交叉融合。各学科在互相影响、借鉴和融合的态势下欣欣向荣。“交叉学科”也成了一个我们越来越耳熟能详的词。

在梳理学科形成、分化过程的同时，我们也梳理了各个学科的建立与发展过程。图1.5就展示了生物学的发展历程及其间的重要事件。有关学科发展的介绍，详见第五篇。

随着学科的不断发展和演化，各个细分学科的愿景也不断深化和转变，在系统生态学中，如图1.6所示，软系统与硬科学的愿景和融合推动着多学科的交叉与进步，详见第六篇第26章。

理论的交汇

解决科学中诸多问题的核心是科学的研究方法，而这些方法都是基于严谨的科学理论及公理。在本书中，我们将对科学发展中的核心理论进行介绍。

图1.7展示了量子力学的三个原理，详见第六篇关于量子力学的内容。量子力学的三个原理包含了狄拉克的剃刀、态叠加原理及不确定性原理。

一个不存在的概念如何被建立又被推翻？图1.8所示的惯性参考系就是这样一个例子。真空相关的概念可能也面临同样的命运，有些概念先被建立、被推翻，未来有可能再被建立，如以太，这就是科学的螺旋式上升过程，详见第六篇。

图1.9描绘了控制论的发展与延伸，图1.10则为人工智能发展树状图。

波粒二象性是量子力学中引入的一个新概念，用来解释人们在双缝实验中观察到的现象。图1.11展示了波粒二象性概念的发展。

原始文明对科学的形成有何影响？科学的形成过程是怎样的？科学中的技术体系及思想体系是如何发展的？而在数字时代及未来元宇宙世界中的科学之路又将指向何方？我们将在本书中探讨这些问题的答案。

本书针对元科学的研究方向来研究元科学，即研究科学的科学，如图1.12所示。我们将从科学的起源、形成、发展、分化和融合入手，重新审视科学发展的轨迹，探究科学理论是如何相互产生影响的，通过深度剖析科学本身来重新认识科学。最后，我们将用新的元科学的思维范式去探究科学未来的发展方向。